プリンキピア

第5章熱化学

5.1 Energy Basics5.1 エネルギーの基礎

Learning Objectives学習目標

By the end of this section, you will be able to:
この節を終えると、次のことができるようになる。
  • Define energy, distinguish types of energy, and describe the nature of energy changes that accompany chemical and physical changes
    エネルギーを定義し、その種類を区別して、化学変化や物理変化に伴うエネルギー変化の性質を説明する。
  • Distinguish the related properties of heat, thermal energy, and temperature
    互いに関連する熱、熱エネルギー、温度を区別する。
  • Define and distinguish specific heat and heat capacity, and describe the physical implications of both
    比熱と熱容量を定義して区別し、それぞれの物理的な意味を説明する。
  • Perform calculations involving heat, specific heat, and temperature change
    熱量、比熱、温度変化に関する計算を行う。
Chemical changes and their accompanying changes in energy are important parts of our everyday world (Figure 5.2). The macronutrients in food (proteins, fats, and carbohydrates) undergo metabolic reactions that provide the energy to keep our bodies functioning. We burn a variety of fuels (gasoline, natural gas, coal) to produce energy for transportation, heating, and the generation of electricity. Industrial chemical reactions use enormous amounts of energy to produce raw materials (such as iron and aluminum). Energy is then used to manufacture those raw materials into useful products, such as cars, skyscrapers, and bridges.
英語のヒント
化学変化とそれに伴うエネルギー変化は、私たちの日常において重要な役割を担う(図5.2)。食品中の主要栄養素であるタンパク質、脂質、炭水化物は代謝反応を起こし、体の機能を維持するエネルギーを供給する。ガソリン、天然ガス、石炭などの燃料を燃やすと、輸送、暖房、発電のためのエネルギーが得られる。工業的な化学反応では、鉄やアルミニウムなどの原材料を作るために大量のエネルギーを使う。その原材料を自動車、高層ビル、橋などの有用な製品に加工する際にも、エネルギーを使う。
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Figure 5.2図 5.2
The energy involved in chemical changes is important to our daily lives: (a) A cheeseburger for lunch provides the energy you need to get through the rest of the day; (b) the combustion of gasoline provides the energy that moves your car (and you) between home, work, and school; and (c) coke, a processed form of coal, provides the energy needed to convert iron ore into iron, which is essential for making many of the products we use daily. (credit a: modification of work by “Pink Sherbet Photography”/Flickr; credit b: modification of work by Jeffery Turner)
化学変化に関わるエネルギーは日常生活に欠かせない。(a) 昼食のチーズバーガーは、その日の残りを過ごすエネルギーを供給する。(b) ガソリンの燃焼は、自動車と乗っている人が自宅、職場、学校の間を移動するエネルギーを供給する。(c) 石炭を加工したコークスは、鉄鉱石を鉄に変えるためのエネルギーを供給する。鉄は、日常で使う多くの製品の製造に不可欠である。(出典a:Pink Sherbet Photography/Flickrの作品を改変。出典b:Jeffery Turnerの作品を改変)
Over 90% of the energy we use comes originally from the sun. Every day, the sun provides the earth with almost 10,000 times the amount of energy necessary to meet all of the world’s energy needs for that day. Our challenge is to find ways to convert and store incoming solar energy so that it can be used in reactions or chemical processes that are both convenient and nonpolluting. Plants and many bacteria capture solar energy through photosynthesis. We release the energy stored in plants when we burn wood or plant products such as ethanol. We also use this energy to fuel our bodies by eating food that comes directly from plants or from animals that got their energy by eating plants. Burning coal and petroleum also releases stored solar energy: These fuels are fossilized plant and animal matter.
英語のヒント
私たちが使うエネルギーの90%以上は、もともと太陽に由来する。太陽が毎日地球に与えるエネルギーは、その日に世界全体で必要な量の約1万倍に達する。課題は、届く太陽エネルギーを変換・貯蔵し、便利で汚染を生まない反応や化学過程で使えるようにする方法を見つけることである。植物や多くの細菌は、光合成で太陽エネルギーを取り込む。木材や、エタノールなどの植物由来製品を燃やすと、植物に蓄えられたエネルギーが放出される。私たちは、植物から直接得られる食物や、植物を食べてエネルギーを得た動物を食べることでも、このエネルギーを体の活動に使っている。石炭や石油を燃やすことも、蓄えられた太陽エネルギーを放出することである。これらの燃料は、化石化した動植物の物質だからである。
This chapter will introduce the basic ideas of an important area of science concerned with the amount of heat absorbed or released during chemical and physical changes—an area called thermochemistry. The concepts introduced in this chapter are widely used in almost all scientific and technical fields. Food scientists use them to determine the energy content of foods. Biologists study the energetics of living organisms, such as the metabolic combustion of sugar into carbon dioxide and water. The oil, gas, and transportation industries, renewable energy providers, and many others endeavor to find better methods to produce energy for our commercial and personal needs. Engineers strive to improve energy efficiency, find better ways to heat and cool our homes, refrigerate our food and drinks, and meet the energy and cooling needs of computers and electronics, among other applications. Understanding thermochemical principles is essential for chemists, physicists, biologists, geologists, every type of engineer, and just about anyone who studies or does any kind of science.
英語のヒント
この章では、化学変化や物理変化で吸収・放出される熱量を扱う重要な科学分野、熱化学の基礎を紹介する。ここで学ぶ概念は、ほとんどすべての科学技術分野で広く使われている。食品科学者は食品のエネルギー量を求め、生物学者は糖が代謝によって二酸化炭素と水になる燃焼など、生物のエネルギーの出入りを研究する。石油・ガス・運輸産業、再生可能エネルギーの供給者などは、事業や個人の需要を満たすエネルギーを生産する、よりよい方法を探している。技術者は、エネルギー効率を高め、家庭を暖房・冷房し、食品や飲料を冷やし、コンピューターや電子機器に必要なエネルギーと冷却を提供するなど、多様な用途の改善に努めている。熱化学の原理を理解することは、化学者、物理学者、生物学者、地質学者、あらゆる分野の技術者、そして科学を学んだり実践したりするほぼすべての人に不可欠である。

Energyエネルギー

Energy can be defined as the capacity to supply heat or do work. One type of work (w) is the process of causing matter to move against an opposing force. For example, we do work when we inflate a bicycle tire—we move matter (the air in the pump) against the opposing force of the air already in the tire.
英語のヒント
エネルギーは、熱を供給したり仕事をしたりする能力と定義できる。仕事wの一種は、逆向きに働く力に抗して物質を動かすことである。たとえば、自転車のタイヤに空気を入れるとき、私たちは仕事をしている。タイヤ内にすでにある空気の抵抗に逆らい、ポンプ内の空気という物質を動かしているからである。
Like matter, energy comes in different types. One scheme classifies energy into two types: potential energy, the energy an object has because of its relative position, composition, or condition, and kinetic energy, the energy that an object possesses because of its motion. Water at the top of a waterfall or dam has potential energy because of its position; when it flows downward through generators, it has kinetic energy that can be used to do work and produce electricity in a hydroelectric plant (Figure 5.3). A battery has potential energy because the chemicals within it can produce electricity that can do work.
英語のヒント
物質と同じく、エネルギーにもさまざまな種類がある。1つの分類法では、物体の相対的な位置・組成・状態に由来する位置エネルギーと、物体の運動に由来する運動エネルギーの2種類に分ける。滝やダムの高い位置にある水は、その位置による位置エネルギーをもつ。水が発電機を通って流れ落ちると運動エネルギーをもち、仕事をして水力発電所で電気を生むために利用できる(図5.3)。電池も、内部の化学物質が仕事のできる電気を生み出せるため、位置エネルギーをもつ。
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Figure 5.3図 5.3
(a) Water at a higher elevation, for example, at the top of Victoria Falls, has a higher potential energy than water at a lower elevation. As the water falls, some of its potential energy is converted into kinetic energy. (b) If the water flows through generators at the bottom of a dam, such as the Hoover Dam shown here, its kinetic energy is converted into electrical energy. (credit a: modification of work by Steve Jurvetson; credit b: modification of work by “curimedia”/Wikimedia commons)
(a) ビクトリアの滝の上部など、高い場所の水は、低い場所の水より大きな位置エネルギーをもつ。水が落ちると、その一部が運動エネルギーに変わる。(b) ここに示すフーバーダムのように、水をダムの底部の発電機に通すと、運動エネルギーが電気エネルギーに変換される。(出典a:Steve Jurvetsonの作品を改変。出典b:curimedia/Wikimedia Commonsの作品を改変)
Energy can be converted from one form into another, but all of the energy present before a change occurs always exists in some form after the change is completed. This observation is expressed in the law of conservation of energy: during a chemical or physical change, energy can be neither created nor destroyed, although it can be changed in form. (This is also one version of the first law of thermodynamics, as you will learn later.)
英語のヒント
エネルギーは形を変えられるが、変化の前に存在したエネルギーはすべて、変化の後にも何らかの形で存在する。この観察を表すのがエネルギー保存則である。化学変化や物理変化では、エネルギーの形は変わっても、エネルギーが作られたり消滅したりすることはない。これは、後で学ぶ熱力学第1法則の表現の1つでもある。
When one substance is converted into another, there is always an associated conversion of one form of energy into another. Heat is usually released or absorbed, but sometimes the conversion involves light, electrical energy, or some other form of energy. For example, chemical energy (a type of potential energy) is stored in the molecules that compose gasoline. When gasoline is combusted within the cylinders of a car’s engine, the rapidly expanding gaseous products of this chemical reaction generate mechanical energy (a type of kinetic energy) when they move the cylinders’ pistons.
英語のヒント
ある物質が別の物質に変わるときには、必ずエネルギーの形の変換も伴う。通常は熱が放出または吸収されるが、光、電気エネルギー、その他のエネルギーが関わる場合もある。たとえば、位置エネルギーの一種である化学エネルギーは、ガソリンを構成する分子に蓄えられている。自動車のエンジンのシリンダー内でガソリンが燃焼すると、反応によって生じた気体が急激に膨張する。その気体がシリンダーのピストンを動かすと、運動エネルギーの一種である力学的エネルギーが生じる。
According to the law of conservation of matter (seen in an earlier chapter), there is no detectable change in the total amount of matter during a chemical change. When chemical reactions occur, the energy changes are relatively modest and the mass changes are too small to measure, so the laws of conservation of matter and energy hold well. However, in nuclear reactions, the energy changes are much larger (by factors of a million or so), the mass changes are measurable, and matter-energy conversions are significant. This will be examined in more detail in a later chapter on nuclear chemistry.
英語のヒント
前の章で学んだ物質保存則によれば、化学変化の際、物質の総量には検出可能な変化がない。化学反応のエネルギー変化は比較的小さく、質量変化は測定できないほど小さいため、物質とエネルギーの保存則はよく成り立つ。しかし核反応では、エネルギー変化は約100万倍も大きく、質量変化は測定でき、物質とエネルギーの相互変換が無視できなくなる。これは後の核化学の章で詳しく扱う。